16通道声发射同步数据采集中的电路设计

张笑彰 高博男

【摘要】    针对煤岩声发射信号监测系统需求，采用定点DSP芯片TMS320VC5509A设计具有24位分辨率的数据采集电路，控制接口采用12C接口扩展I/O方式实现，以帧同步方式实现，采用菊花链方式级联，数据采集电路具有接口简单，低功耗等特点，应用于研制的煤岩声发射监控系统中。

【关键词】    DSP    声发射    电路设计

煤岩声发射检测是公认的有发展前途的连续预测煤矿动力灾害的方法，国内已有多套国产系统投运，煤岩声发射信号采集是监测系统实现的重要环节，要求数据采集电路具有大动态范围，国内已有多家单位进行相关研究工作，熊庆国等研制出便于携带的单声通道岩体声发射监测仪，周凤星等设计出能同步采集三路16位分辨率加速度传感器信号的声发射数据集站。王继强等分别设计了8通道的微震实时监测系统。随着处理器的性能不断改善，更多通道的煤岩声发射信号采集成为可能。TMS320VC5509A是一款低功耗，16位定点DSP处理器，具有丰富的外设，ADS1278的一款工业级的24文分辨率同步A/D转换器，采样率最高达144ksps，实现更多通道的数据采集，本文以TMS320VC5509A为核心，扩展了2片AD1278，实现16通道同步数据采集。

一、数据采集电路原理

数据采集电路结构工作原理是，TMS320VC5509A首先完成自身资源的配置，通过I2C总线配置I/O状态，准备工作完成后VC5509A发出同步转换脉冲，传感器采集煤岩声发射信号经预处理后送入ADS1278进行数据转换，数据送入VC5509A的McBSP端口。

由数据采集电路原理可知，VC5509A接口是设计的核心，接口电路按功能分为控制与数据接口，控制接口用于设置ADS1278工作模式。数据接口用于传输ADS1278采集数据。

二、数据采集电路硬件实现

ADS1278工作模式与通道使能是通过引脚设定，每篇需设置引脚14个。如I/O口完成配置会造成很大的资源浪费，通过I2C控制器挂载两片PCA935完成配置。

3位拨码开关用于设置PCA955的I2C地址，MODE用于设置工作模式，CLKDIV用于设置时钟是否减半，对应的I/O口写入低电平时，指示灯电量。观察配置是否成功。

ADS1278转换后数据以串行方式通过引脚输出，通过VC5509A的McBSP外设接口接受转换后的数据，支持SPI与帧同步协议，帧同步模式拥有更快的传输速度。VC5509A与ADS1278采用帧同步协议数据接口电路，以菊花链方式级联，DOUT1连接到U2的DIN输入，连到VC5509A的DRI引脚，U2和U3拥有相同的SCLK，FSYNC控制信号。

稳定的电源是实现高精度数据采集的必要保障，数据采集电路包含ADS1278的1.8V内核電源等典型电源，5V模拟电源通过LM7805线性稳压得到，1.8V数字电源通过高电源抑制比电源芯片TPS73018获得。基准电路在高精度数据采集电路设计中非常重要，会直接影响采集电路的精度，采用低噪声，高精度的电压基准芯片为ADS1278提供参考电压，在将基准信号送入ADS1278前添加一级调理电路阻抗匹配，使REF5025输出性能达到最佳。

三、数据采集地层软件实现

数据采集电路地层软件实现包括配置与数据采集，配置分为对VC5509A初始化，包括CSL库，GPIO，定时器，DMA等，对ADS1278参数的设置包括通道开启情况等，数据采集工作主要由DMA完成，CPU仅负责缓冲区等操作。

系统上电后首先完成初始化工作，进入中断等待状态，由DMA采集数据，DMA存满缓冲区后触发中断。CPU进行数据处理等操作返回等待下次中断。DMA与CPU并行工作，DMA专门负责存储数据，CPU负责切换缓冲区，CPU与DMS操作不同的缓冲区，CPU处理缓冲区1数据。DMA与CPU实现乒乓切换操作，使DSP发挥最佳性能。

数据采集电路通道多，选取两组典型通道测试同一信号，通过Graph工具调取缓冲区数据显示采集信号波形，测试中设置ADS1278采样频率为9375Hz，横坐标为换算后的时间信息，纵坐标为A/D的实际数值。图中测试信号频率为100Hz，两通道采集信号波形一致，说明两通道采样同步性，通道3信号频率为200Hz，通道9信号频率为300Hz，通道9信号频率为通道3 的1.5倍，说明通道采集不同信号正确性。两图中信号连续光滑，说明采集电路的高性能。

结语：本文针对煤岩声发射信号采集提出大动态范围数据采集电路解决方案，实现多通道数据同步采集，可灵活开启各通道等，采用数据采集电路方案，实现更多通道数据同步采集，数据采集电路可扩展通道数会受到工作模式的制约。